Aufbau der Materie

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Aufbau der Materie
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Ziele und Methoden der Physik

• Quantitative Beschreibung der Naturvorgänge
  

Auch Verstehen der Natur!

• Pysik griechisch Naturordnung

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Erforschen, Messen, Experimentieren
Aufbau der Materie
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Ziele und Methoden der Physik

• Erforschen, Messen, Experimentieren

• Beschreiben durch Naturgesetze

Sprache Mathematik

• Wechselspiel Experiment - Theorie

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physikalischeDisziplinen
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Physikalische Größen
Messen heißt Mit einem Maßstab, einer Einheit
vergleichen
Beispiele Meter (Länge), Sekunde (Zeit)
Angaben einer Größe ohne Hinzufügen der Einheit
ist sinnlos !
Ein etwas allgemeiner Begriff ist die Dimension
einer physikalischen Größe
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Dezimalsystem, metrisches System
Einheiten können durch Vorsilben um
Zehnerpotenzen verkleinert oder vergrößert werden
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Zeitmessung
Messung der mechanischen Grundgrößen
erste Kalenderbestimmung
Mechanische Uhr
Atomuhr
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Zeitmessung
Messung der mechanischen Grundgrößen
Cs-Fontäne als Atomuhr
Resonanzfrequenz 9,192,631,770 Hz
www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm
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Technical Description
NIST-F1 is referred to as a fountain clock
because it uses a fountain-like movement of atoms
to measure frequency and time interval. First, a
gas of cesium atoms is introduced into the
clocks vacuum chamber. Six infrared laser beams
then are directed at right angles to each other
at the center of the chamber. The lasers gently
push the cesium atoms together into a ball. In
the process of creating this ball, the lasers
slow down the movement of the atoms and cool them
to temperatures near absolute zero. Two vertical
lasers are used to gently toss the ball upward
(the fountain action), and then all of the
lasers are turned off. This little push is just
enough to lift the ball about a meter high
through a microwave-filled cavity. Under the
influence of gravity, the ball then falls back
down through the microwave cavity.
The round trip up and down through the microwave
cavity lasts for about 1 second. During the trip,
the atomic states of the atoms might or might not
be altered as they interact with the microwave
signal. When their trip is finished, another
laser is pointed at the atoms. Those atoms whose
atomic state were altered by the microwave signal
emit light (a state known as fluorescence). The
photons, or the tiny packets of light that they
emit, are measured by a detector. This process is
repeated many times while the microwave signal in
the cavity is tuned to different frequencies.
Eventually, a microwave frequency is found that
alters the states of most of the cesium atoms and
maximizes their fluorescence. This frequency is
the natural resonance frequency of the cesium
atom (9,192,631,770 Hz), or the frequency used
to define the second.
www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm
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Längenmessung
Messung der mechanischen Grundgrößen
Messung mit Körperteilen Elle
1m ist die Länge, die das Licht in 1/299 792 458
s zurücklegt
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Spektrum der Längenmessung
Abstand Erde-Sonne 150 000 000 000m
Abstand Erde-Mond 380 000 000m
Länge der chinesischen Mauer 2 400 000m
Höhe des Mt Everest 8 848m
Größe des Menschen 1.8m
Dicke eines menschlichen Haars 0.000 08m
H2O Molekül 0.000 000 001m
Größe eines Atoms 0.000 000 000 3m
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Spektrum der Längenmessung
1001 Meter
10110 Meter
102100 Meter
1061000 000 Meter
108100 000 000 Meter
10710 000 000 Meter
1014100 000 000 000 000 Meter
1020100 000 000 000 000 000 000 Meter
1023100 000 000 000 000 000 000 000 Meter
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Spektrum der Längenmessung
1001 Meter
10-10.1 Meter
10-20.01 Meter
10-60.000 001 Meter
10-70.000 000 1 Meter
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Meßunsicherheit und Meßfehler
Systematischer Fehler Fehlerhafter Bau von
Meßgeräten, falsche Eichung, usw.
Zufälliger Fehler Ablesefehler, Schwankungen des
Zeigers, usw.
Der Einfluß der zufälligen Fehler wird durch
häufiges Wiederholen der Messung und
Mittelwertbildung kleiner
Beispiel
oder
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Mittelwert und Fehler
Der Einfluß der zufälligen Fehler wird durch
häufiges Wiederholen der Messung und
Mittelwertbildung kleiner
Mittelwert
Fehler
Meßreihe 17.3, 17.0, 17.3, 17.4, 17.2
Mittelwert a17.24
Fehler s0.15
Der wahre Wert liegt mit einer Wahrscheinlichkeit
von 68 im Intervall 17.240.15
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Fehlerfortpflanzung
Reihenentwicklung und lineare Näherung
Beispiel Kantenlänge eines Würfels
Volumen?
relativer Fehler
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Fragen zur Fehlerrechnung

1. Welchen relativen Fehler weist eine Uhr auf, die
   täglich um 10 Minuten vorgeht?

• Angenommen, Sie leben 100 km von einem
  Radiosender entfernt und berücksichtigen die
  Laufzeit des Zeitsignals nicht.
• Wie groß ist der Fehler, den Sie dadurch begehen?
• Vergleichen Sie diesen Fehler mit der Laufzeit
  des Schalls von Ihrem 2m entfernten Radio bis an
  Ihr Ohr!
• Lichtgeschwindigkeit c3 108 m/s,
  Schallgeschwindigkeit vS340 m/s

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Winkelmessung in der Ebene
Gradmaß 1 Grad (0)1/90 des rechten Winkels
Bogenmaß Kreisbögen di um Schwerpunkt verhalten
sich wie ihre Radien, di/Riconst
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Winkelmessung im Raum
O ist die räumliche Öffnung, die die vom
Kugelmittelpunkt ausgehenden Strahlen der
Mantelfläche eines Kegels einschließen.
ADurchstoßungsfläche des Kegels durch
Kugeloberfläche
Der volle Raumwinkel ist dann